摘要

背景： 亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）途徑在水生生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)中扮演著重要角色，該途徑由NC10門(mén)的“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”（M. oxyfera）介導(dǎo)。類產(chǎn)氧甲烷桿菌（M. oxyfera-like bacteria）在自然界廣泛存在，然而，其在水生植物根際的存在、空間異質(zhì)性和遺傳多樣性尚未被廣泛報(bào)道。

方法： 為了模擬沉水植物的根際微環(huán)境，使用根箱法（rhizobox）培養(yǎng)菹草（Potamogeton crispus）。采集根箱三個(gè)隔室的沉積物樣品：根區(qū)（R）、近根際區(qū)（包括五個(gè)1毫米寬的子隔室，N1-N5）和非根際區(qū)（>5毫米，Non）。使用16S rRNA基因文庫(kù)研究這些沉積物中類產(chǎn)氧甲烷桿菌的多樣性。

結(jié)果： 在所有三個(gè)區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了類產(chǎn)氧甲烷桿菌，所有16S rRNA基因序列歸屬于16個(gè)操作分類單元（OTUs）。在近根際區(qū)的N1子隔室中發(fā)現(xiàn)了最多的OTUs（6個(gè)），在根區(qū)（R）和近根際區(qū)的N5子隔室中發(fā)現(xiàn)了最少的OTUs（各4個(gè)）。細(xì)菌群落多樣性指數(shù)（香農(nóng)指數(shù)，Shannon）和豐富度指數(shù)（Chao1）分別為0.73-1.16和4-9。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，OTU1-11被歸類到b群，而OTU12屬于NC10的一個(gè)新簇。

討論： 我們的結(jié)果證實(shí)了在沉水植物菹草的根際微環(huán)境中存在類產(chǎn)氧甲烷桿菌。本研究中，類產(chǎn)氧甲烷桿菌的b群是優(yōu)勢(shì)群，這與之前在大多數(shù)其他環(huán)境中a群和b群共存的發(fā)現(xiàn)相反。我們的結(jié)果表明，理解類產(chǎn)氧甲烷桿菌b群的生態(tài)生理學(xué)可能有助于解釋它們?cè)谒参锔H沉積物中的存在。

引言

沉水水生植物周圍通常幾毫米厚的區(qū)域被稱為根際。它是植物根系與微生物過(guò)程之間許多生物地球化學(xué)相互作用的“熱點(diǎn)”（Hartmann, Rothballer & Schmid, 2008）。與沉積物過(guò)程和植物代謝相關(guān)的環(huán)境因素，包括消耗或產(chǎn)生的氧氣（Bodelier, 2003）和植物分泌的營(yíng)養(yǎng)滲出物（Haichar et al., 2014），影響著根際的群落結(jié)構(gòu)，并使該區(qū)域的微生物多樣性與周圍沉積物不同。與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物活動(dòng)在植物根際尤其活躍，由與植物根部密切相關(guān)的氮循環(huán)細(xì)菌介導(dǎo)。

據(jù)報(bào)道，在石灰?guī)r地區(qū)，植物根際氨氧化細(xì)菌的多樣性和豐度高于大塊土壤（Ai et al., 2013）。水稻和小麥根際反硝化細(xì)菌的豐度也高于非根際土壤（Hussain et al., 2011; Hamonts et al., 2013）。根際微生物群落的活性，特別是微生物氮循環(huán)，常受寄主植物物種的影響（Ruiz-Rueda, Hallin & Ba?eras, 2009; Hu et al., 2015）。例如，已發(fā)現(xiàn)黃菖蒲（Iris pseudocorus）和香蒲（Typha orientalis）根際沉積物中厭氧氨氧化細(xì)菌的多樣性高于再力花（Thalia dealbata）（Chu et al., 2015）。氮循環(huán)微生物是湖泊反硝化的主要驅(qū)動(dòng)因素（Zhao et al., 2015），因此了解根際沉積物中的微生物多樣性有助于加強(qiáng)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的修復(fù)。

Candidatus Methylomirabilis oxyfera，或稱產(chǎn)氧甲烷桿菌（M. oxyfera bacteria），屬于NC10門(mén)，目前尚無(wú)法獲得純培養(yǎng)物（Ettwig et al., 2010）。一些類產(chǎn)氧甲烷桿菌可以在厭氧條件下，通過(guò)稱為亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）的過(guò)程（Raghoebarsing et al., 2006; Ettwig et al., 2010），將甲烷氧化與亞硝酸鹽還原耦合。這些生物具有內(nèi)部產(chǎn)氧機(jī)制，被認(rèn)為是第四大生物產(chǎn)氧途徑，可能對(duì)全球碳氮循環(huán)產(chǎn)生重大影響（Wu et al., 2011; Ettwig et al., 2012）。許多研究關(guān)注了棲息于水生生態(tài)系統(tǒng)的N-DAMO微生物和類產(chǎn)氧甲烷桿菌的存在。類產(chǎn)氧甲烷桿菌的16S rRNA基因已在海洋（Chen, Zhou & Gu, 2014）、河口（Shen et al., 2014b; Chen, Zhou & Gu, 2015; Yan et al., 2015）、湖泊（Deutzmann & Schink, 2011; Kojima et al., 2012; Wang et al., 2017）、河流（Shen et al., 2014a）、天然濕地（Wang et al., 2016）、泥炭地（Zhu et al., 2012）和人工濕地生態(tài)系統(tǒng)（Zhu et al., 2015）中檢測(cè)到。Ettwig et al.（2009）將NC10細(xì)菌的16S rRNA基因分為四組：a, b, c, 和 d。a組和b組被認(rèn)為是優(yōu)勢(shì)分支。目前已知具有N-DAMO功能的類產(chǎn)氧甲烷桿菌屬于a組（Welte et al., 2016）。然而，b組在大多數(shù)自然環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)，并且在許多淡水環(huán)境中占據(jù)了類產(chǎn)氧甲烷桿菌群落的大部分（Wang et al., 2016; Kojima et al., 2012; Shen et al., 2015）。盡管NC10門(mén)的類產(chǎn)氧甲烷桿菌廣泛存在，但尚未在水生植物的根際中報(bào)道。

許多研究表明，厭氧微生物，如反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌，存在于水生植物的根際（Lu et al., 2014; Zheng et al., 2016），因此我們推測(cè)類產(chǎn)氧甲烷桿菌也可能存在于該區(qū)域。在本研究中，使用根箱法實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)來(lái)自淡水湖泊的沉水植物，以檢測(cè)沉水植物根際和非根際區(qū)域類產(chǎn)氧甲烷桿菌的出現(xiàn)和多樣性。